JP2018204455A - 内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の過給機余剰動力回収装置において、過給機に連結されて回転する油圧ポンプによって作られる油圧の生成量を、内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応させる。【解決手段】過給機余剰動力回収装置は、油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、前記内燃機関の排ガス路に配設された第１過給機と、前記第１過給機に連結されて回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、前記油圧ポンプから前記作動機器へ油圧を供給する油路と、前記作動機器を電子制御するコントローラと、前記第１過給機のタービンへ送る排ガス流量を制御する制御弁と、を有する。前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が第１の値以上のとき、前記油圧ポンプにより生成される油圧生成量が、前記内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応するように、前記制御弁の開度を制御する。【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶に関する。

従来、ディーゼルエンジンやガスエンジンなどの内燃機関では、エンジンの排ガスによって過給機（ターボチャージャ）のタービンを回転駆動し、回転駆動したタービンにより回転される圧縮機によって給気密度を高めて、エンジンの出力向上を図っている。

しかしながら、このように過給機を取り付けて排気エネルギの有効利用を図ったとしても、エンジンの高負荷時（高出力時）などには排気エネルギが余剰となり、この余剰排気エネルギを無駄なく利用することが、燃費向上のみならず環境保護の面からも強く要請されている。

このエンジンの余剰排気エネルギを有効利用するものとして、過給機に連結されて過給機により回転駆動される油圧ポンプで油圧を生成させ、この油圧を、内燃機関を駆動させる作動機器の駆動源として油圧機構に供給する過給機余剰動力回収装置が知られている（特許文献１）。

特許第６０１２８１０号公報

この過給機余剰動力回収装置では、油圧ポンプが生成する油圧は、内燃機関を駆動させる油圧機構に主に供給されるが、油圧ポンプによって作られる油圧の生成量は、内燃機関の負荷率が高くなる程多くなり、油圧機構に要する油圧の必要量を上回る場合が多い。このため、油圧の余剰エネルギを無駄に排気する場合が多い。このため、油圧機構に要する油圧の必要量に対応した油圧の量を生成することが好ましい。実際、内燃機関の負荷率が高くなる程、上記油圧の余剰エネルギは極めて多くなる。

そこで、本発明は、過給機の回転によって回転する油圧ポンプによって作られる油圧の生成量が、内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応するように、生成する油圧の量を制御することができる内燃機関の過給機余剰動力回収装置及びこの装置を搭載した船舶を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、内燃機関の過給機余剰動力回収装置である。当該装置は、
油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転駆動されて前記内燃機関の吸気管に過給された給気を供給する第１過給機と、
前記第１過給機に連結されて前記第１過給機により回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから前記作動機器へ油圧を供給する油路と、
前記作動機器を電子制御するコントローラと、
前記第１過給機のタービンへ送る排ガス流量を制御する制御弁と、を有する。
前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が第１の値以上のとき、前記油圧ポンプにより生成される油圧生成量が、前記作動機器を作動するための油圧を含む前記内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応するように、前記制御弁の開度を制御する。

前記油圧の必要量は、前記内燃機関の負荷率に応じて定まり、
前記コントローラは、前記第１過給機における前記排ガスの、前記油圧の必要量に対応する目標掃気圧と、前記内燃機関の負荷率との対応関係の情報、あるいは前記油圧の必要量と、前記内燃機関の負荷率との対応関係の情報を保持し、
前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が前記第１の値以上のとき、前記第１過給機における掃気圧が前記目標掃気圧に一致するように、あるいは前記油圧ポンプの油圧生成量が前記油圧の必要量に一致するように、前記内燃機関の負荷率に応じて、前記制御弁の開度を制御する、ことが好ましい。

前記内燃機関の前記第１過給機と並列配置されて、前記排ガスの一部を前記第１過給機のタービンを経由することなく、外部に排気するバイパス排ガス路と、
前記バイパス排ガス路における排ガス流量を制御する排気バイパス弁と、有し、
前記制御弁は、前記排気バイパス弁である、ことが好ましい。

前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が前記第１の値未満の場合、前記排気バイパス弁を閉じる、ことが好ましい。

前記排ガスの一部を、前記第１過給機へ送らず、前記内燃機関の前記吸気管に供給する第１排気再循環装置を有し、
前記第１排気再循環装置を駆動するとき、前記バイパス制御弁を閉じる、ことが好ましい。

前記第１排気再循環装置は、前記内燃機関の負荷率が、予め定めた上限値以上になると停止する、ことが好ましい。

前記内燃機関の前記タービンに接続される前記排ガス路の途中に、排ガスの流路面積を可変に制御する流量調整弁が前記制御弁として設けられている、ことが好ましい。

前記第１過給機とは別に、前記内燃機関の排ガス路に並列配置されて前記内燃機関の排ガスにより回転駆動されて前記内燃機関に過給された給気を供給する、前記第１過給機に比べてサイズの小さい第２過給機と、
前記第２過給機に並列配置され、前記排ガスの一部を、前記第２過給機へ送らず、前記内燃機関の前記吸気管に供給する第２排気再循環装置と、
前記第２過給機のタービンへの排ガスの供給を遮断する遮断弁と、を有し、
前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が、前記第１の値以上第２の値以下の場合、前記第２排気再循環装置の動作を停止した状態で、前記遮断弁を閉じることにより、前記第２過給機による給気を停止するよう制御する、ことが好ましい。。

また、本発明の他の一態様は、前記内燃機関の過給機余剰動力回収装置が搭載され、
前記内燃機関は、船舶の推進用エンジンである船舶である。

上記過給機余剰動力回収装置及びこの装置を搭載した船舶によれば、過給機の回転によって回転する油圧ポンプによって作られる油圧の生成量が、内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応するように、生成する油圧の量を制御することができる。

本実施形態の過給機余剰動力回収装置の主な構成を示す図である。 本実施形態で用いる内燃機関が低負荷率にあるときの油圧の流れの一例を説明する図である。 本実施形態で用いる内燃機関が中負荷率にあるときの油圧の流れの一例を説明する図である。 本実施形態で用いる内燃機関が高負荷率にあるときの油圧の流れの一例を説明する図である。 本実施形態で用いる過給機の周辺の装置構成の好ましい一形態を模式的に示す図である。 本実施形態で用いる過給機の周辺の装置構成の好ましい他の一形態を模式的に示す図である。

本発明に係る内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶の一実施形態を詳細に説明する。

図１は、本実施形態の過給機余剰動力回収装置（以降、回収装置という）１００の主な構成を示す図である。
回収装置１００は、内燃機関１に付随して設けられる装置である。回収装置１００は、過給機に連結されて過給機により回転駆動される油圧ポンプに油圧を生成させ、この油圧を、内燃機関を駆動させる作動機器（例えば排気弁や燃料噴射弁）の駆動源となる油圧として供給する。このような回収装置１００の処理を排気エネルギ回収処理という。以下、回収装置１００及び排気エネルギ回収処理を説明する。

（回収装置及び排気エネルギ回収処理）
回収装置１００は、内燃機関１と、過給機（第１過給機）５と、油圧ポンプ１０と、油圧機構２０と、コントローラ５０と、油圧制御ユニット５１と、を主に備える。

内燃機関１は、特に制限されないが、一例として、船舶に搭載される推進用の低速ディーゼルエンジン（動力源、内燃機関）が挙げられる。内燃機関１は、内燃機関１を駆動させるために必要な、例えば排気弁、燃料噴射弁等の作動機器が油圧を介して電子制御される電子制御機関である。内燃機関１には過給機５が設けられている。

過給機５は、内燃機関１の排ガスにより回転駆動されて内燃機関１の吸気管に過給された給気を内燃機関１に供給する。過給機５は、具体的には、圧縮機６とタービン７とを備える。圧縮機６とタービン７は、回転軸８で連結される。内燃機関１の排ガスによりタービン７が回転駆動され、タービン７によって圧縮機６が回転する。これにより内燃機関１の給気密度が高められ、エンジンの出力が向上する。

なお、過給機５は、必ずしもその段数が単段のものに限定されるものではない。また、内燃機関１は船舶用エンジンに限定されず、形式も低速ディーゼルエンジンに限定されるものではない。天然ガス、都市ガス等を燃料とするガスエンジン、他のすべての形式の電子制御機関が含まれる。

図１に示すように、過給機５の回転軸８に変速機９が連結され、変速機９に可変容量型の油圧ポンプ１０が連結される。内燃機関１のクランク軸２の一端に変速機３が連結され、変速機３に可変容量型の機関駆動油圧ポンプ１１が連結されている。
変速機３を設けずに機関駆動油圧ポンプ１１を内燃機関１のクランク軸２に直結することもできる。また、上述の油圧ポンプ１０及び機関駆動油圧ポンプ１１は、図１においてはそれぞれ１台であるが、あくまでも一例であり、複数台としてもよい。

油圧ポンプ１０と機関駆動油圧ポンプ１１は、油圧機構２０の中に組み込まれる。
油圧機構２０は、内燃機関１の作動機器を含む油圧制御ユニット５１に油圧を供給して作動機器を作動させて内燃機関１を駆動させる機構である。油圧機構２０は、油路２１，２２，２３，２４，２６，２７と、第１逆止弁機構３０と、第２逆止弁機構３５と、電磁開閉弁機構４４と、スタートアップ用油圧ポンプ５３と、切換弁５５と、を備える。
油圧機構２０において、機関駆動油圧ポンプ１１の一方の吐出口１１ａは油路２１に接続され、第１逆止弁機構３０、油路２３を介して、内燃機関１の作動機器の油圧制御ユニット５１に接続されて、機関駆動油圧ポンプ１１は油圧を供給する。油路２１，２２，２３により第１油路が形成される。機関駆動油圧ポンプ１１の他方の吐出口１１ｂは、油路２４を介して油圧ポンプ１０の一方の吐出口１０ｂに接続される。

油圧ポンプ１０は、過給機５に連結されて過給機５により回転駆動されて油圧を発生させる。油圧ポンプ１０の他方の吐出口１０ａは油路２６に接続され、第２逆止弁機構３５、油路２７、油路２３をこの順に介して、内燃機関１の作動機器の油圧制御ユニット５１に接続される。油圧ポンプ１０は、油圧制御ユニット５１に油圧を供給する。また、油路２７から分岐する形で油路２２、第１逆止弁機構３０、油路２１をこの順に介して、機関駆動油圧ポンプ１１の一方の吐出口１１ａにも接続される。

なお、油圧ポンプ１０の吐出口１０ａ，１０ｂ、及び機関駆動油圧ポンプ１１の吐出口１１ａ，１１ｂはいずれも吐出口としている。しかしながら、実際は、後述するように、作動状態によってその一方が油圧の吐出口となり、他方が油圧の取入口となるものであるが、本実施形態では、便宜上いずれも吐出口と呼ぶことにする。

第１逆止弁機構３０は、コントローラ５０の制御により第１逆止弁機構３０内の図示されない電磁切替弁が切り替えられて、油路２２から油路２１、つまり油路２２から機関駆動油圧ポンプ１１への油圧の逆流を許容させる逆止解除機能を有する。
この逆止解除機能がＯＦＦの場合には、第１逆止弁機構３０は、機関駆動油圧ポンプ１１から油路２１を介して油圧制御ユニット５１への油圧の供給を許容すると共に、油路２２から機関駆動油圧ポンプ１１への油圧の逆流を防止する通常の逆止機能が働く。

他方、この逆止解除機能がＯＮの場合には、上述のように、第１逆止弁機構３０は、油路２２から機関駆動油圧ポンプ１１への油圧の逆流を許容する。また、機関駆動油圧ポンプ１１と第１逆止弁機構３０との間にはアキュームレータが配設されてもよい。このアキュームレータは、海洋波、排気弁駆動、燃料噴射等に伴って発生する油圧変動を吸収する。

第２逆止弁機構３５は、コントローラ５０の制御により、油路２７から油路２６、つまり油路２７から油圧ポンプ１０への油圧の逆流を許容させる逆止解除機能を有する。
この逆止解除機能がＯＦＦの場合には、第２逆止弁機構３５は油圧ポンプ１０から油路２６を介して油圧制御ユニット５１と第１逆止弁機構３０への油圧の供給を許容すると共に、油路２７から油路２６、つまり油路２７から油圧ポンプ１０への油圧の逆流を防止する通常の逆止機能が働く。他方、この逆止解除機能がＯＮの場合には、上述のように、第２逆止弁機構３５は、油路２７から油路２６、つまり油路２７から油圧ポンプ１０への油圧の逆流を許容する。

油路２６と油路２４との間に電磁開閉弁機構４４が配設され、電磁開閉弁機構４４が開弁することにより、油路２６の油圧を油路２４へドレインさせて油路２６の油圧を開放することができる。油路２６、電磁開閉弁機構４４、油路２４によりドレイン機構が構成される。

スタートアップ用油圧ポンプ５３は、電動機５２に接続されている。スタートアップ用油圧ポンプ５３は、内燃機関１のスタートアップ時に回転駆動されて、油圧を油圧制御ユニット５１に供給する。
切換弁５５は、油路２３の作動油を作動油源へ戻すための弁である。なお、作動油源から油圧機構２０への作動油の供給は、油路２４から行われる。

コントローラ５０は、作動機器を含む油圧制御ユニット５１を電子制御し、内燃機関１の駆動を制御する部分である。コントローラ５０は、内燃機関１の負荷率の情報を取得し、
センサにより例えば給気の吸い込み温度、過給機５の下流側の掃気圧等を検出し、後述するように、この検出した掃気圧及び吸い込み温度等と、内燃機関１の負荷率に応じて、油圧ポンプ１０、機関駆動油圧ポンプ１１、第１逆止弁機構３０、第２逆止弁機構３５、電磁切替弁機構４４、さらには、後述する過給機５のタービン７へ送る排ガス流量を制御する制御弁等の作動を電気的に制御する。なお、コントローラ５０が上述の負荷率、掃気圧及び吸い込み温度以外のパラメータを用いて油圧ポンプ１０、機関駆動油圧ポンプ１１、第１逆止弁機構３０、第２逆止弁機構３５、電磁切替弁機構４４、制御弁等の作動を制御する場合もある。
油圧制御ユニット５１は、内燃機関１の駆動のための排気弁、燃料噴射弁等の、油圧で作動する作動機器で構成され、これらの作動機器は、コントローラ５０によって電子制御される。

本実施形態の回収装置１００は、一例として以下のように動作する。
内燃機関１のスタートアップ時、コントローラ５０は、第１逆止弁機構３０の逆止解除機能をＯＦＦにすると共に、第２逆止弁機構３５の逆止解除機能をＯＦＦにする。また、電磁開閉弁機構４４を閉弁させている。

このため、第１逆止弁機構３０は油路２２から油路２１への油圧の逆流を防止し、第２逆止弁機構３５は油路２７から油路２６への油圧の逆流を防止する。そして、コントローラ５０は、電動機５２を回転駆動させて、始動に必要な油圧制御ユニット５１の油圧をスタートアップ用油圧ポンプ５３により発生させて、油圧制御ユニット５１へ供給する。

次に、内燃機関１の低負荷時、例えば始動から負荷率３５％までの間は、コントローラ５０は、第１逆止弁機構３０の逆止解除機能をＯＦＦにすると共に、第２逆止弁機構３５の逆止解除機能をＯＮにする。このため、油路２７から油路２６への油圧の逆流が許容される。

機関駆動油圧ポンプ１１が発生させた油圧は、図２に示すように、油路２１、第１逆止弁機構３０、油路２２、油路２３をこの順に介して、油圧制御ユニット５１へ供給される。この場合、機関駆動油圧ポンプ１１が発生させた油圧の一部は、油路２１、第１逆止弁機構３０、油路２２、油路２７、第２逆止弁機構３５、油路２６をこの順に介して、油圧ポンプ１０の吐出口１０ａに供給されて、油圧ポンプ１０の回転をアシストする。
なお、油圧ポンプ１０は可変容量型であり、この可変機構によって吐出口１０ａからの油圧の逆流によっても過給機５を正転させることができる。図２は、内燃機関１が低負荷率にあるときの油圧の流れの一例を説明する図である。

コントローラ５０は、センサが検出した給気の吸い込み温度、過給機５の下流側の給気路の掃気圧等を読み込む。また、過給機５を加勢するための必要動力は、コントローラ５０内に内燃機関１の負荷率ごとに設定されている。コントローラ５０は、この掃気圧、吸い込み温度等に基づいて、可変容量型の油圧ポンプ１０の容量を適切に変化させて、過給機５を加勢する動力を制御する。

次に、内燃機関１の中負荷時、例えば負荷率３５〜５０％の間は、コントローラ５０は、第１逆止弁機構３０の逆止解除機能をＯＦＦにすると共に、電磁開閉弁機構４４を開弁させる。

電磁開閉弁機構４４が開弁すると、図３に示すように、油圧ポンプ１０が発生させた油圧は、油路２６から電磁開閉弁機構４４を介して油路２４へドレインされて開放されて油路２６における圧力は低くなるので、油路２６から第２逆止弁機構３５を通って圧力の高い油路２７へ流れることはない。この場合、過給機５により回転駆動される油圧ポンプ１０はいわば無負荷運転となるが、システムの冷却ために一定圧の油圧が吐出される。図３は、内燃機関１が中負荷率にあるときの油圧の流れの一例を説明する図である。

他方、機関駆動油圧ポンプ１１が発生させた油圧は、図3に示すように、油路２１、第１逆止弁機構３０、油路２２、油路２３を介して油圧制御ユニット５１へ供給される。機関駆動油圧ポンプ１１が発生させる油圧は比較的高いが、コントローラ５０が、第２逆止弁機構３５の逆止解除機能をＯＦＦにしているので、第２逆止弁機構３５の逆止機能により、油路２７の油圧が第２逆止弁機構３５を通って油路２６へ流れることはない。

このように、内燃機関１の中負荷時、例えば負荷率３５〜５０％の間は、油圧ポンプ１０は無負荷運転となると共に、油圧制御ユニット５１が必要とする油圧は、機関駆動油圧ポンプ１１で生成される油圧のみが用いられる。

次に、内燃機関１の高負荷時、例えば負荷率５０％以上の場合には、コントローラ５０は、第１逆止弁機構３０の逆止解除機能をＯＮにする共に、第２逆止弁機構３５の逆止解除機能をＯＦＦにする。また、コントローラ５０は、電磁開閉弁機構４４を閉弁させる。

このため、第１逆止弁機構３０は、油路２２から油路２１、つまり油路２２から機関駆動油圧ポンプ１１への油圧の逆流を許容する。また、第２逆止弁機構３５は、油路２６から油路２７への油圧の流れを許容し、逆止機能により、油路２７から油路２６への油圧の流れを防止する。

このため、油圧ポンプ１０が発生させた油圧は、図４に示すように、油路２６、第２逆止弁機構３５、油路２７、油路２３をこの順に介して、油圧制御ユニット５１へ供給される。例えば負荷率５０％以上の場合には、油圧制御ユニット５１が必要とする油圧のすべてを油圧ポンプ１０から供給することができる。

また、内燃機関１の高負荷時には、油圧ポンプ１０は油圧制御ユニット５１に必要な油圧の、例えば２倍程度の油圧を発生させることが可能である。このため、油圧ポンプ１０が発生させた油圧は、図４に示すように、油路２６、第２逆止弁機構３６、油路２７、油路２２、第１逆止弁機構３０、油路２１をこの順に介して、機関駆動ポンフ１１の吐出口１１ａにも供給されて、機関駆動油圧ポンプ１１の回転を加勢する。
すなわち、油圧ポンプ１０が発生させた油圧により、機関駆動油圧ポンプ１１が連結された内燃機関１の回転が加勢される。
図４は、内燃機関１が高負荷率にあるときの油圧の流れの一例を説明する図である。

このようにして回収装置１００は、排気エネルギ回収処理を行い、回収したエネルギを内燃機関１の駆動のアシストに用いるので、内燃機関１の燃費を向上させることができる。

また、油圧ポンプ１０は必ずしも可変容量型である必要はなく、固定容量型であってもよい。固定容量型とすれば、大幅な省スペース化が図れる。ただし、油圧ポンプ１０を固定容量型とした場合には、吐出口からの油圧の逆流によってポンプを正転させることはできないので、油圧機構２０のままでは低負荷時に過給機５の加勢を行うことはできない。内燃機関１の低負荷時、中負荷時、高負荷時において回収装置１００と同様の駆動を行わせるためには、油圧の逆流時にも通常の油圧取入口からのポンプへの流入が可能なように、油圧機構２０の構成等を一部変更する必要がある。

このような回収装置１００では、内燃機関１の高負荷時、油圧ポンプ１０でつくられる油圧の量は、油圧制御ユニット５１及び機関駆動油圧ポンプ１１の駆動に必要な油圧の必要量に比べて多く、余剰エネルギとなり易い。このため、本実施形態では、油圧の余剰エネルギを生成しないために、内燃機関１の負荷率の上昇に伴って油圧ポンプ１０でつくられる油圧の量が油圧制御ユニット５１及び機関駆動油圧ポンプ１１の駆動に必要な油圧の必要量に到達すると、それ以降の高い負荷率では、過給機５の回転を制御するように構成されている。具体的には、過給機５のタービンへ送る排ガス流量を制御する制御弁が回収装置１００に設けられる。コントローラ５０は、内燃機関１の負荷率が第１の値以上のとき、油圧ポンプ１０により生成される油圧生成量が、油圧制御ユニット５１の作動のために必要な油圧を含む内燃機関１の駆動に必要な油圧の必要量に対応するように、制御弁の開度を制御するように構成されている。以下、制御弁の開度の制御について、第１実施形態と第２実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図５は、過給機５の周辺の装置構成の好ましい一形態を模式的に示す図である。
内燃機関１と過給機５との間には、内燃機関１から排出される排ガスを受ける排気レシーバ６０と、過給機５で過給された給気を取り込む吸気マニホールド６２と、が設けられている。排気レシーバ６０には、排気レシーバ６０から過給機５のタービン７に接続する排ガス路６４とタービン７を迂回するバイパス排ガス路６８が設けられている。バイパス排ガス路６８は、タービン７から外気に排ガスを排出する外部排ガス路６６に接続されている。すなわち、バイパス排ガス路６８は、過給機５、詳細にはタービン７と並列配置されて、排ガスの一部を、タービン７を経由することなく、外部に排気する排気路である。

圧縮機６には、外気から空気を導入する外気導入路７２が設けられ、さらに、圧縮機６には、圧縮された空気を冷却器７６に導く給気路７４が設けられている。冷却器７６には、排気レシーバ６０から延びる排ガス循環路７８が接続される。冷却器７６で冷却された気体は、給気として吸気マニホールド６２に供給され、さらに、内燃機関１に供給される。排ガス循環路７８には、排ガス循環制御弁８０が設けられている。排気レシーバ６０内の排ガスの一部は、排ガス循環路７８を通過して、外気から取り入れられ圧縮機６で圧縮された空気と混合されて内燃機関１に給気として供給される。このように、排ガスの一部を給気として用いるのは、排ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を利用して、内燃機関１の燃焼温度を低下させ、これにより、酸素と窒素の反応速度を低下させてＮＯｘの排出量を削減するためである。以降、この処理を、排ガス循環処理という。この排ガス循環処理は、特に、回収装置１００を搭載した船舶において、所定の外国周囲の沿岸領域でＮＯｘの排出を削減することを定めた、海洋汚染防止条約（マルポール条約）の２００５年に発効された附属書ＶＩ内の第３次規制（ＩＭＯ ＴｉｅｒＩＩＩ）に適応させるために行われる。排ガス循環路７８及び排ガス循環制御弁８０は、排ガスの一部を、過給機５へ送らず、内燃機関の吸気マニホールド（吸気管）６２に供給する排気再循環装置を構成する。
なお、図５には図示されていないが、排ガス循環路７８に集塵器や圧縮機等が設けられてもよい。

バイパス排ガス路６８には、バイパス排ガス路６８における排ガス流量を制御する排気バイパス弁７０が上記制御弁として設けられている。この排気バイパス弁７０の開度を、コントローラ５０が電気的に制御する。コントローラ５０は、油圧ポンプ１０により生成される油圧生成量が、内燃機関１の駆動に必要な油圧の必要量に対応するように、上記制御弁である排気バイパス弁７０の開度を制御する。

一実施形態でによれば、排気バイパス弁７０は、内燃機関１の負荷率が第１の値未満、例えば５０％未満の場合、排気バイパス弁７０を閉じるように、コントローラ５０は制御する。
また、別の一実施形態によれば、排ガス循環制御弁８０を開けて排気再循環装置の機能を発揮させる（排気再循環装置を駆動する）とき、排気バイパス弁７０が閉じるように、コントローラ５０は制御する。さらに別の一実施形態によれば、排気バイパス弁７０を開けるとき、排ガス循環制御弁８０を閉じて排気再循環装置の機能を停止させるように、コントローラ５０は制御する。

上述したようにＮＯｘの排出制限が厳しい沿岸領域では回収装置１００を搭載した船舶は、沿岸領域を低速で移動するので、内燃機関１の負荷は低い。このため、内燃機関１の低負荷時は、ＮＯｘの排出を削減するために排気再循環装置を駆動させる。この場合、ＮＯｘの排出を抑制するために、排気バイパス弁７０を閉じてＮＯｘを含む排ガスを排気再循環装置に配分する。
一方、ＮＯｘの排出制限が比較的緩い領域は外洋の場合が多く、この領域では、排気再循環装置を停止してもよい。このとき、回収装置１００を搭載した船舶は高速で移動するので、内燃機関１の駆動のために必要な油圧の必要量だけ油圧ポンプ１０で油圧を生成する。この場合、排気バイパス弁７０の開度を制御しない場合、油圧ポンプ１０で生成される油圧の量は、内燃機関１の駆動のための油圧の必要量を超え、さらに、内燃機関１の負荷の増加に伴って増大する。このため、排気バイパス弁７０の開度を制御して、内燃機関１の駆動に必要な油圧の必要量だけ油圧ポンプ１０に油圧を生成させる。

したがって、一実施形態によれば、内燃機関１の負荷率が第１の値未満の場合、油圧ポンプ１０の生成する油圧の生成量は、内燃機関１の駆動に必要な油圧の必要量に達しないので、コントローラ５０は、排気バイパス弁７０を閉じることが好ましい。
また、一実施形態によれば、排ガス循環制御弁８０を開いて排気再循環装置の機能を発揮させるとき、排気バイパス弁７０を閉じることが、ＮＯｘの排出を抑制する点から好ましい。

また、一実施形態によれば、内燃機関１の負荷率が、予め定めた上限値以上になると、例えば５０％以上になると、コントローラ５０は、排ガス循環制御弁８０を閉じて、排気再循環装置の機能を停止することが好ましい。これにより、排気バイパス弁７０の開度の制御により、内燃機関１の駆動に必要な油圧の必要量だけを油圧ポンプ１０は生成することができる。この場合、上記上限値は、排気バイパス弁７０の開閉を制御する閾値となる内燃機関１の負荷率の上記第１の値と同じであることが好ましい。

このように、第１実施形態では、コントローラ５０が、内燃機関１の負荷率が第１の値以上、例えば５０％以上のとき、油圧ポンプ１０により生成される油圧生成量が、内燃機関１の駆動に必要な油圧の必要量に対応するように、過給機５のタービン７へ送る排ガス流量を制御する排気バイパス弁７０の開度を制御する。

このような排気バイパス弁７０の制御は、具体的には、以下のように行うことが好ましい。
内燃機関１の駆動のために必要な油圧の必要量は、内燃機関１の負荷率に応じて定まるので、コントローラ５０は、油圧ポンプ１０が油圧を生成するための過給機５における、油圧の必要量に対応する目標掃気圧と、内燃機関１の負荷率との対応関係の情報を保持しておく。コントローラ５０は、内燃機関１の負荷率が第１の値以上、例えば５０％以上のとき、過給機５における排ガスの掃気圧が目標掃気圧に一致するように、バイパス制御弁７０の開度を制御する。過給機５で作られる掃気圧は、例えば、吸気マニホールド６２に設けられた図示されない給気の圧力を計測するセンサ（圧力計）から取得することができる。掃気圧は、過給機５のタービン７及び圧縮機８の回転速度によって定まり、タービン７の回転速度は、排気バイパス弁７０の開度によって定まるので、掃気圧は、排気バイパス弁７０の開度によって定まる。一方、過給機５により回転駆動する油圧ポンプ１０で油圧は生成される。このため、コントローラ５０は、計測した掃気圧が、内燃機関１の負荷率に応じて定まる、内燃機関１の駆動に必要な油圧の必要量に対応した目標掃気圧になるように、排気バイパス弁７０の開度を制御することが好ましい。
一実施形態によれば、内燃機関１の駆動のために必要な油圧の必要量は、内燃機関１の負荷率に応じて定まるので、コントローラ５０は、この油圧の必要量と、内燃機関１の負荷率との対応関係の情報を保持しておく。この場合、コントローラ５０は、内燃機関１の負荷率が第１の値以上、例えば５０％以上のとき、油圧ポンプ１０で生成される油圧の量が、油圧の必要量に一致するように、バイパス制御弁７０の開度を制御することが好ましい。

本実施形態では、排気バイパス弁７０の開度を制御することにより、油圧ポンプ１０により生成される油圧生成量を、内燃機関１の駆動のために必要な油圧の必要量に対応させるが、開度を制御対象とする制御弁は、排気バイパス弁７０に限られない。例えば、一実施形態として、内燃機関１のタービン７に接続される排ガス路６４の途中に、排ガスの流路の面積を可変に制御する流量調整弁を上記制御弁とすることも好ましい。流量調整弁の開度を絞ることにより、タービン７を回転させる排ガスの圧力は高まり、タービン７の回転速度を上昇させることができ、油圧ポンプ１０による油圧生成量を増大させることができる。流量調整弁の開度を大きくすることにより、タービン７を回転させる排ガスの圧力は低くなり、タービン７の回転速度を低下させることができ、油圧ポンプ１０による油圧生成量を減少させることができる。

（第２実施形態）
図６は、過給機５の周辺の装置構成の好ましい他の一形態を模式的に示す図である。
図６に示す形態では、１つの内燃機関１に過給機５（第１過給機）と過給機１５０（第２過給機）が設けられている。過給機１５０は、過給機５０に比べてサイズが小さい。サイズが小さいとは、過給機の過給能力が低いことをいう。この構成は、船舶に適用される内燃機関の一例の構成である。

図６に示す過給機５は、図５に示す過給機５と同じ構成であり、図６に示す排気レシーバ６０、吸気マニホールド６２、排ガス路６４、外部排ガス路６６、バイパス排ガス路６８、バイパス排ガス弁７０、外気導入路７２、給気路７４、冷却器７６は、図５に示す排気レシーバ６０、吸気マニホールド６２、排ガス路６４、外部排ガス路６６、バイパス排ガス路６８、バイパス排ガス弁７０、外気導入路７２、給気路７４、冷却器７６と同じ構成であるので、その説明は省略する。ここで、図６に示す過給機５周りの構成において、図５に示す過給機５周りの構成と異なる部分は、排気レシーバ６０から延びる排ガス循環路１７８が後述する過給機１５０に設けられる冷却器１７６に接続されていることである。すなわち、排気レシーバ６０内の排ガスの一部は、過給機１５０で過給された給気と合流されて内燃機関１に供給されることである。

過給機１５０には、圧縮機１６０とタービン１７０を備え、圧縮機１６０とタービン１７０は、回転軸１８０で連結される。内燃機関１の排ガスによりタービン１７０が回転駆動され、タービン１７０によって圧縮機１６０が回転する。これにより内燃機関１の給気密度が高められ、エンジンの出力が向上する。

排気レシーバ６０には、排気レシーバ６０から過給機１５０のタービン１７０に接続する排ガス路１６４が設けられ、タービン１７０には、タービン１７０から外気に排ガスを排出する外部排ガス路１６６が設けられている。
圧縮機１６０には、外気から空気を導入する外気導入路１７２が設けられ、さらに、圧縮機１６０には、圧縮された空気を冷却器１７６に導く給気路１７４が設けられている。冷却器１７６には、排気レシーバ６０から延びる排ガス循環路１７８が設けられ、排ガス循環路１７８は、冷却器１７６に接続される。冷却器１７６で冷却された気体は、給気調整機構１８２を介して給気として吸気マニホールド１６２に供給され、さらに、内燃機関１に供給される。給気調整機構１８２は、過給機１５０で過給された給気を、過給機５で過給された給気と混合するために調整する部分で、圧力調整のためのブロアを設けた調整路、ブロアを迂回したバイパス路、及び、調整路及びバイパス路の流量を制御する制御弁等を備える。

排ガス循環路１７８には、排ガス循環遮断弁１８０が設けられ、排ガス路１６４及び給気路１７４には、過給遮断弁１６９，１７５が設けられている。排ガス循環遮断弁１８０及び過給遮断弁１６９，１７５は、コントローラ５０と電気的に接続され、コントローラ５０により、弁の開閉（遮断、開放）が制御される。過給遮断弁１６９は、タービン１７０への排ガスの供給を遮断する弁であり、過給遮断弁１７５は、圧縮機１６０で取り込んだ給気の吸気マニホールド６２への供給を遮断する弁である。
排ガス循環路１７８及び排ガス循環遮断弁１８０は、過給機１５０に並列配置され、排ガスの一部を、過給機１５０へ送らず、内燃機関１の吸気管（吸気マニホールド６２）に供給する排気再循環装置として機能する。排ガス循環路１７８には、集塵器や圧縮機等が設けられてもよい。
過給機１５０には、過給機５のように油圧を生成する油圧ポンプ１０は設けられていない。

油圧ポンプ１０を用いた排気エネルギ回収処理を行わない場合、過給機５だけでは内燃機関１の負荷率１００％を達成できないため、過給機１５０が補助的に用いられる。

サイズの異なる過給機５，１５０において、内燃機関１の負荷率が第１の値以上であって、第２の値以下、例えば５０％以上で合って６５％以下の場合、コントローラ５０は、排ガス循環路１７８及び排ガス循環遮断弁１８０により構成される排気再循環装置の動作を停止した状態で、過給遮断弁１６９，１７５の開状態から閉じる（遮断する）ことにより、過給機１５０の給気を停止するよう制御する。この状態では、内燃機関１の負荷率は第１の値以上となっているので、排ガス循環処理を停止するために排ガス循環遮断弁１８０は閉じられており、バイパス排ガス弁７０は、排気エネルギ回収処理を行うために開いて、第１実施形態と同様に、バイパス排ガス弁７０の開度がコントローラ５０で制御されている。
このように、排気エネルギ回収処理を行う油圧ポンプ１０が接続されている過給機５に排ガスを集中させるので、排気エネルギ回収処理の効果により、内燃機関１の燃費を向上させることができる。

第１実施形態及び第２実施形態の回収装置は、例えば、船舶に搭載され、内燃機関１は、この船舶の推進用エンジンであることが好ましい。この船舶は、排気エネルギ回収処理を行うので、内燃機関１の燃費を向上させる他、生成する油圧の量を制御することができるので、無駄なエネルギを生成しない。

上述の回収装置１００は一例にすぎず、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。また、上述の回収装置１００においては、負荷３５％までを低負荷とし、負荷３５〜５０％を中負荷とし、また負荷５０％以上を高負荷としたが、あくまでも一例であって内燃機関の種類や利用形態等により異なるものであり、これらに限定されるものではない。

１ 内燃機関
２ クランク軸
３ 変速機
４ 排ガス路
５，１５０ 過給機
６，１６０ 圧縮機
７，１７０ タービン
８，１８０ 回転軸
９ 変速機
１０ 油圧ポンプ
１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ 吐出口
１１ 機関駆動油圧ポンプ
２０ 油圧機構
２１，２２，２３，２４，２６，２７ 油路
３０ 第１逆止弁機構
４４ 電磁開閉弁機構
３５ 第２逆止弁機構
５０ コントローラ
５１ 油圧制御ユニット
５２ 電動機
５３ スタートアップ用油圧ポンプ
６０ 排気レシーバ
６２ 吸気マニホールド
６４,１６４ 排ガス路
６６，１６６ 外部排ガス路
６８, バイパス排ガス路
７０ 排気バイパス弁
７２,１７２ 外気導入路
７４，１７４ 給気路
７６，１７６ 冷却器
７８ 排ガス循環路
８０ 排ガス循環制御弁
１００ 過給機余剰動力回収装置
１６９,１７５ 過給遮断弁
１７８ 排ガス循環路
１８０ 排ガス循環遮断弁
１８２ 給気調整機構

本発明の一態様は、内燃機関の過給機余剰動力回収装置である。当該装置は、
油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転駆動されて前記内燃機関の吸気管に過給された給気を供給する第１過給機と、
前記第１過給機に連結されて前記第１過給機により回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから前記作動機器へ油圧を供給する油路と、
前記作動機器を電子制御するコントローラと、
前記第１過給機のタービンへ送る排ガス流量を制御する制御弁と、を有する。
前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が第１の値以上のとき、前記油圧ポンプにより生成される油圧生成量が、前記作動機器を作動するための油圧を含む前記内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応するように、前記内燃機関の負荷率に応じて前記制御弁の開度を制御する。

前記コントローラは、前記第１過給機における前記排ガスの、前記油圧の必要量に対応する目標掃気圧と、前記内燃機関の負荷率との対応関係の情報、あるいは前記油圧の必要量と、前記内燃機関の負荷率との対応関係の情報を保持し、
前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が前記第１の値以上のとき、前記第１過給機における掃気圧が前記目標掃気圧に一致するように、あるいは前記油圧ポンプの油圧生成量が前記油圧の必要量に一致するように、前記内燃機関の負荷率に応じて、前記制御弁の開度を制御する、ことが好ましい。

本発明の一態様は、内燃機関の過給機余剰動力回収装置である。当該装置は、
油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転駆動されて前記内燃機関の吸気管に過給された給気を供給する第１過給機と、
前記第１過給機に連結されて前記第１過給機により回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから前記作動機器へ油圧を供給する油路と、
前記作動機器を電子制御するコントローラと、
前記第１過給機のタービンへ送る排ガス流量を制御する制御弁と、
前記第１過給機とは別に、前記内燃機関の排ガス路に並列配置されて前記内燃機関の排ガスにより回転駆動されて前記内燃機関に過給された給気を供給する、前記第１過給機に比べてサイズの小さい第２過給機と、
前記第２過給機に並列配置され、前記排ガスの一部を、前記第２過給機へ送らず、前記内燃機関の前記吸気管に供給する第２排気再循環装置と、
前記第２過給機のタービンへの排ガスの供給を遮断する遮断弁と、を有する。
前記コントローラは、
前記内燃機関の負荷率が第１の値以上のとき、前記油圧ポンプにより生成される油圧生成量が、前記作動機器を作動するための油圧を含む前記内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応するように、前記制御弁の開度を制御し、
前記内燃機関の負荷率が、前記第１の値以上第２の値以下の場合、前記第２排気再循環装置の動作を停止した状態で、前記遮断弁を閉じることにより、前記第２過給機による給気を停止するよう制御する。

図１に示すように、過給機５の回転軸８に変速機９が連結され、変速機９に可変容量型の油圧ポンプ１０が連結される。内燃機関１のクランク軸２の一端に変速機９が連結され、変速機９に可変容量型の機関駆動油圧ポンプ１１が連結されている。
変速機９を設けずに機関駆動油圧ポンプ１１を内燃機関１のクランク軸２に直結することもできる。また、上述の油圧ポンプ１０及び機関駆動油圧ポンプ１１は、図１においてはそれぞれ１台であるが、あくまでも一例であり、複数台としてもよい。

Claims (9)

1. 油圧で作動する作動機器を電子制御することにより駆動される内燃機関と、
   前記内燃機関の排ガス路に配設されて前記内燃機関の排ガスにより回転駆動されて前記内燃機関の吸気管に過給された給気を供給する第１過給機と、
   前記第１過給機に連結されて前記第１過給機により回転駆動されて油圧を発生させる油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから前記作動機器へ油圧を供給する油路と、
   前記作動機器を電子制御するコントローラと、
   前記第１過給機のタービンへ送る排ガス流量を制御する制御弁と、を有し、
   前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が第１の値以上のとき、前記油圧ポンプにより生成される油圧生成量が、前記作動機器を作動するための油圧を含む前記内燃機関の駆動のために必要な油圧の必要量に対応するように、前記制御弁の開度を制御する、ことを特徴とする内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
2. 前記油圧の必要量は、前記内燃機関の負荷率に応じて定まり、
   前記コントローラは、前記第１過給機における前記排ガスの、前記油圧の必要量に対応する目標掃気圧と、前記内燃機関の負荷率との対応関係の情報、あるいは前記油圧の必要量と、前記内燃機関の負荷率との対応関係の情報を保持し、
   前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が前記第１の値以上のとき、前記第１過給機における掃気圧が前記目標掃気圧に一致するように、あるいは前記油圧ポンプの油圧生成量が前記油圧の必要量に一致するように、前記内燃機関の負荷率に応じて、前記制御弁の開度を制御する、請求項１に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
3. 前記内燃機関の前記第１過給機と並列配置されて、前記排ガスの一部を前記第１過給機のタービンを経由することなく、外部に排気するバイパス排ガス路と、
   前記バイパス排ガス路における排ガス流量を制御する排気バイパス弁と、有し、
   前記制御弁は、前記排気バイパス弁である、請求項１または２に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
4. 前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が前記第１の値未満の場合、前記排気バイパス弁を閉じる、請求項３に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
5. 前記排ガスの一部を、前記第１過給機へ送らず、前記内燃機関の前記吸気管に供給する第１排気再循環装置を有し、
   前記第１排気再循環装置を駆動するとき、前記バイパス制御弁を閉じる、請求項３または４に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
6. 前記第１排気再循環装置は、前記内燃機関の負荷率が、予め定めた上限値以上になると停止する、請求項５に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
7. 前記内燃機関の前記タービンに接続される前記排ガス路の途中に、排ガスの流路面積を可変に制御する流量調整弁が前記制御弁として設けられている、請求項１または２に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
8. 前記第１過給機とは別に、前記内燃機関の排ガス路に並列配置されて前記内燃機関の排ガスにより回転駆動されて前記内燃機関に過給された給気を供給する、前記第１過給機に比べてサイズの小さい第２過給機と、
   前記第２過給機に並列配置され、前記排ガスの一部を、前記第２過給機へ送らず、前記内燃機関の前記吸気管に供給する第２排気再循環装置と、
   前記第２過給機のタービンへの排ガスの供給を遮断する遮断弁と、を有し、
   前記コントローラは、前記内燃機関の負荷率が、前記第１の値以上第２の値以下の場合、前記第２排気再循環装置の動作を停止した状態で、前記遮断弁を閉じることにより、前記第２過給機による給気を停止するよう制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の過給機余剰動力回収装置が搭載され、
   前記内燃機関は、船舶の推進用エンジンである、ことを特徴とする船舶。

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